Ядро Linux

Мы с вами частично знакомы с некоторым функционалом ядра – оно отвечает за управление процессами, их приоритетами, распределение ресурсов компьютера, управляет памятью. Это далеко не всё, чем занимается ядро, что-то мы ещё будем разбирать по мере изучения, но пока давайте разберём, что из себя представляет ядро и что администратору с ним делать.

Для начала, ядро - это программа. В отличии от других программ, оно лежит в директории /boot и называется vmlinuz:

ls /boot

Как вы видите, тут несколько файлов с названием vmlinuz и они отличаются версиями. В Linux вы можете установить любую версию ядра - обновлённую или постарше, это может быть крайне актуально для отладки различных инструментов и сервисов.

Версию ядра, которую мы сейчас используем, можно увидеть с помощью команды:

uname -r

Давайте посмотрим, сколько же весит ядро: для этого воспользуемся утилитой:

du -h vmlinuz*

Как видите, ядро весит почти 11 мегабайт. На самом деле, буква z в слове vmlinuz говорит о том, что ядро сжато. То есть, фактически, оно весит чуть больше.

Вы уже знаете – ядро Linux используется везде: android смартфоны, коих больше 3 миллиардов, работают на Linux; огромное количество сетевого оборудования, серверов, умных телевизоров, холодильников, машин, да даже бортовые компьютеры Space X – всё это работает на Linux. Это огромное количество разнообразного оборудования, которое должно поддерживать ядро. Поэтому в разработке ядра участвуют тысячи крупнейших компаний и специалистов. И всё ради 11 мегабайтного файла? Конечно нет. В этом файле только основной функционал, необходимый для работы – работа с памятью, управление процессам. Когда же ядру нужен дополнительный функционал – допустим, чтобы работать с сетевым адаптером, видеокартой или другим оборудованием – ядро обращается к специальным файлам, называемым модулями. В модулях хранится код, необходимый для работы с оборудованием или программный функционал – допустим, драйвер для видеокарты или программа для шифрования. Обычно это происходит незаметно для пользователя – вы вставили флешку, а ядро загрузило модуль для работы с usb флешками, а также модуль для работы с файловой системой на этой флешке. На других операционных системах это может работать по другому – есть различные архитектуры ядер операционных систем. У Linux архитектура модульная – то есть какой-то функционал вынесен в модули и подгружается по необходимости. Также Linux называют монолитным – потому что всё что делает ядро происходит в рамках одной программы – а правильнее сказать – все части ядра работают в одном адресном пространстве. Но так как у Linux-а огромный функционал, который бессмысленно держать одновременно в памяти – поэтому функционал вынесен в модули, благодаря чему ускоряется работа ядра.

Так вот, модули ядра хранятся в директории /lib/modules/:

ls /lib/modules*

Ядро, при виде какого-нибудь оборудования или при необходимости работы с каким-нибудь программным функционалом, загружает модули автоматически. И хотя работать с этим вам придётся не так часто, вы должны иметь представление, как это работает и как это менять. Например, может быть требование, чтобы система игнорировала флешки, хотя, по умолчанию, вы вставили флешку и она работает.

И так, для управления модулями ядра используется утилита:

modprobe

Допустим, если хотим загрузить модуль radeon, пишем:

sudo modprobe radeon

Увидеть можем с помощью утилиты lsmod, которая показывает загруженные модули:

lsmod | grep radeon

Одни модули могут работать с другими и сами могут использоваться какими-то процессами. Например, чтобы выгрузить модуль из ядра, можно использовать тот же modprobe с ключом -r:

sudo modprobe -r radeon

Этот модуль не использовался, поэтому мне получилось с лёгкостью его выгрузить. Но есть модуль, допустим, vboxguest, который используется и убрать его с помощью modprobe не получится:

sudo modprobe -r parsec

Процессы, системные вызовы и прерывания

Как мы с вами знаем, каждая программа на компьютере хранится на диске системы - SSD или HDD. Когда мы запускаем программу, она загружается в оперативную память, так как скорость чтения с жёсткого диска или даже ssd относительно низкая, а процессор работает на больших скоростях и процессору намного быстрее добраться до оперативной памяти. Как правило, большие программы загружаются в оперативную память не полностью, а по мере необходимости. При этом, для каждой программы создаётся иллюзия, что она – единственная в оперативной памяти, то есть для неё создаётся так называемая «виртуальная память». Также программы при запуске загружают какие-то файлы, будь то файлы настроек или пользовательские файлы – как например, если мы запускаем nano file, то в память загружаются как сам /usr/bin/nano, его настройки - /etc/nanorc и ~/.nanorc, различные библиотеки, необходимые для работы nano и сам файл, который мы открываем. Кроме этого также запускаемой программе передаются переменные окружения операционной системы. Выполняя задачу, каждая программа использует процессорные мощности для выполнения своей работы. И совокупность всего этого называется процессом.

И так, выполняемая программа – это процесс. Начнём с того, что администратору важно видеть список процессов. Для этого есть несколько способов, начнём с утилиты ps. Если просто запустить:

ps

Мы увидим список процессов, запущенных в этом терминале. Как вы заметили, вывелось 4 строчки – bash и ps, в основном. При том, что ps у нас выполнился за какие-то доли секунды, он у нас всё равно виден в выводе – потому что он делает скриншот процессов именно в момент выполнения, поэтому и видит сам себя.

Но ведь не значит это, что на компьютере работает только 4 процесса? Как узнать больше информации?

ps -ef

Давайте разберём, что означают ключи и как читать вывод. Ключ -e выводит все процессы всех пользователей:

ps -e

Да, процессы запускаются от имени пользователей. От этого зависит какие права будут у процесса. Допустим, если я запускаю программу nano от пользователя user, то программа сможет работать с моими файлами. А ключ f, в расширенном формате выводит информацию по процессу:

Первое – UID – user id - пользователь, который запустил процесс. Большинство процессов в системе запущены от пользователя root.

Второй столбик – PID – process id – идентификатор процесса. Он уникальный для каждого процесса, но совпадает для потоков одного процесса. Когда программа завершается, она освобождает номер и через какое-то время другая программа может использовать этот номер. С помощью этих номеров мы можем управлять процессами.

Третий столбик – PPID – parent process id – идентификатор родительского процесса. Почти все процессы в системе были запущены каким-то другим процессом. Допустим, когда мы запускаем эмулятор терминала, а в нём nano – то родительским процессом для nano является bash, который запущен в этом эмуляторе терминала.

Обычно процессы появляются, делают свою работу и завершаются не требуя никакого внимания. Но бывают случаи, когда администратору все же следует вмешаться. Давайте разберём пару таких ситуаций. Самая популярная – зависание процесса или системы. Я думаю все сталкивались с такими ситуациями, когда какой-то процесс начинает использовать слишком много оперативной памяти или ресурсов процессора. Это приводит к тому, что каким-то другим процессам, той же оболочке, перестаёт хватать ресурсов и всё начинает зависать. Чтобы решить проблему, сначала нужно понять, какой процесс во всём виноват. Для этого нужно увидеть список процессов, которые используют большую часть ресурсов. Это нам покажет утилита top:

top

Наверху отображается общая информация по системе. Давайте пройдёмся по каждому из значений. Первая строчка – вывод утилиты uptime:

Текущее время в системе

Сколько времени система включена

Хоть тут и написано user, подразумевается количество авторизованных сессий. Это могут быть как сессии одного пользователя, так и других

Далее, "load average" - Среднее значение загрузки системы за минуту, 5 минут и 15 минут. Есть свои нюансы подсчёта этого значения.

На второй строчке информация о количестве процессов:

Сколько всего запущенных процессов

Сколько процессов выполняется в данный момент

Сколько процессов просто спят, например, в ожидании каких-то данных

Сколько процессов остановлены, но до сих пор находятся в оперативной памяти и ожидают ручной активации каким-то процессом или администратором

Сколько зомби процессов. Когда один процесс запускает другой, то он является для него родительским процессом, а запущенный – дочерним. Так вот, когда дочерний процесс выполнит свою задачу, он завершается, отправляя отчет о работе к родительскому процессу. В случае, если родительский процесс из-за ошибки разработчика или другой причины не завершает процесс, а оставляет его в фоновом режиме, то такой процесс называется зомби. Зомби процессы занимают лишнее пространство и бессмысленно тратят ресурсы компьютера.

Сервисный менеджер Systemd

systemd, как сервисный менеджер, позволяет управлять этими сервисами. Для примера возьмём сервис под названием sshd. Вы часто будете встречать сервисы с буквой d в конце - она означает daemon, то есть демон программы ssh. Базовые операции - это остановить, запустить и перезапустить сервис - то есть:

sudo systemctl stop sshd

sudo systemctl start sshd

sudo systemctl restart sshd

соответственно. Как понятно из названия, restart останавливает и запускает сервис заново. Обычно перезапускают сервис, когда изменяются какие-то настройки демона. Нужно его заново запустить, чтобы он перечитал свои настройки. Для каких-то сервисов это не проблема, но бывают важные сервисы, в которых даже секундная остановка вызывает проблемы. Для таких сервисов существует возможность перезапустить основной демон, при этом не затронув текущие процессы. Для этого используется опция reload

sudo systemctl reload sshd

Мы можем добавить в автозагрузку любой сервис, чтобы он автоматически включался при запуске компьютера

systemctl enable sshd

А отменить автозагрузку можно так:

systemctl disable sshd

А можно получить информацию о статусе процесса?

systemctl status sshd

В строчке Loaded мы видим путь до основного файла сервиса. Дальше 2 раза видим слово enabled. Первый enabled говорит о том, что сервис включён, т.е., он будет запускаться при включении компьютера. Перед вторым enabled написано vendor preset. То есть, имеется в виду, что этот сервис был включён по умолчанию ещё при установке программы или операционной системы

В строчке Active мы видим, что сервис не работает. Если остановить сервис, здесь будет писаться inactive.

Или наборот, статус Active с зеленым вариантом, тут мы сделаем вывод, что все в порядке и сервис работает корректно

Запустить тестирование